Photonik Daten dauerhaft mit Licht speichern

Forscher der britischen Oxford University, der Universität Münster und des KIT haben einen dauerhaften volloptischen Speicher entwickelt, der sich auf einem Chip integrieren lässt. Nach Aussage der Wissenschaftler ist damit ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zum optischen Computer gelungen.

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Licht bestimmt die Zukunft der Informations- und Kommunikationstechnologie: Computer könnten mit optischen Elementen schneller und energieeffizienter arbeiten. Längst ist es üblich, Daten mit Licht über Glasfaserkabel zu übertragen. Doch auf dem Computer werden die Daten nach wie vor elektronisch verarbeitet und gespeichert. Der elektronische Austausch von Daten zwischen den Prozessoren und dem Speicher begrenzt die Geschwindigkeit moderner Rechner.

Um diesen von Experten als Von-Neumann-Flaschenhals bezeichneten Flaschenhals zu überwinden, genügt es nicht, Speicher und Prozessor optisch zu verbinden, da die optischen Signale wieder in elektrische konvertiert werden müssen. Wissenschaftler suchen daher nach Wegen, sowohl Rechnungen als auch die Datenspeicherung rein optisch durchzuführen.

Wissenschaftlern aus Deutschland und England ist es nun gelungen, Licht auf einem Chip einzufangen. Sie haben damit den ersten volloptischen, nicht-flüchtigen – also dauerhaften – Chip-Speicher entwickelt, der Daten über Jahrzehnte erhalten kann. „Optische Bits lassen sich mit Frequenzen bis zu einem Gigahertz schreiben; damit erlaubt unser vollphotonischer Speicher eine extrem schnelle Datensicherung“, erklärt Professor Wolfram Pernice, der eine Arbeitsgruppe am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT leitete und inzwischen an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster tätig ist. „Der Speicher ist sowohl mit der üblichen optischen Datenübertragung über Glasfaser als auch mit modernsten Prozessoren kompatibel“, ergänzt Professor Harish Bhaskaran von der Universität Oxford. Ihre Entwicklung stellen die Forscher in der Zeitschrift Nature Photonics vor.

Herkömmliche optische Datenspeicher wie CDs oder DVDs sind langsame, externe Massenspeicher. Diese Technik eignet sich nicht für die schnelle Datenverarbeitung und die Datenspeicherung auf Chips. "Die von uns entwickelten volloptischen Speicher bieten Möglichkeiten, die weit über die bisher verfügbaren Ansätze der optischen Datenverarbeitung hinausgehen,“ unterstreicht Prof. Dr. Wolfram Pernice.

Der neue Speicher kann Daten auch ohne Stromzufuhr jahrzehntelang bewahren. Er ist zudem in der Lage, mehrere Bits in einem nanoskaligen Mehrebenenspeicher, also einem einzigen, nur einige millionstel Millimeter großen Bauteil, zu sichern.Anstelle der üblichen Informationswerte 0 und 1 lassen sich mehrere Zustände in einem Element sichern oder sogar eigenständige Berechnungen ausführen. Möglich machen es sogenannte Phasenübergangsmaterialien – neuartige Materialien, die ihre optischen Eigenschaften abhängig von der Anordnung der Atome ändern: Sie können in kürzester Zeit zwischen dem kristallinen (regelmäßigen) und dem amorphen (unregelmäßigen) Zustand wechseln.

Für ihren Speicher verwendeten die Wissenschaftler das Phasenübergangsmaterial Ge2Sb2Te5 (GST). Mit ultrakurzen Lichtpulsen lässt sich der Wechsel von kristallin zu amorph (Daten speichern) bzw. von amorph zu kristallin (Daten löschen) auslösen. Lesen lassen sich die Daten mit schwachen Lichtpulsen.

Für den volloptischen Speicher gebe es eine Vielzahl von möglichen Anwendungen Dauerhafte volloptische Speicher auf Chips könnten die Leistung von Computern oder die Effizienz von Smartphones künftig erheblich steigern und deren Energieverbrauch senken. Zusammen mit volloptischen Verbindungen könnten sie Latenzen reduzieren und die energieintensive Umwandlung optischer Signale in elektronische – und umgekehrt – überflüssig machen. Außerdem ermögliche diese Technik den Nachbau neuronaler Netze, wie sie im Gehirn vorkommen.

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